Entrelaçamento quântico quebra segunda Lei da Termodinâmica

(Fonte da imagem: ThinkStock)

A Segunda Lei da Termodinâmica diz, grosso modo, que você não pode obter algo a partir do nada. Como não existe energia livre, por exemplo, não é possível criar uma máquina de movimento perpétuo, apesar de algumas tentativas no mínimo curiosas já terem sido experimentadas.

Outro aspecto da mesma lei é o fato de que a energia sempre tenta se contrabalancear. Se você tiver um pote com água quente e despejar sobre ele um pouco de água fria, você acabará com um líquido morno. Se você quiser esfriar ou aquecer essa água, será necessário ter uma fonte de energia externa.

James Maxwell e seu exercício mental

Tudo estava perfeito, até que o escocês James Maxwell sugeriu um exercício que confundiria a cabeça de muita gente, em 1867: imagine que você tenha um contêiner de água morna. Essa água possui moléculas que se agitam em velocidades diferentes, sendo que as mais “quentes” se movem rapidamente, enquanto que as “frias” se mexem vagarosamente. Apesar disso, a temperatura média da água é morna.

Depois, Maxwell sugeriu dividir esse container em duas metades, deixado apenas uma pequenina porta, do tamanho de uma molécula dágua, aberta entre elas. Construa a porta de maneira com que as moléculas rápidas sejam atraídas por ela e se acumulem em uma das metades do contêiner e, sempre que uma molécula lenta chegar perto da porta, acaba passado para o outro lado.

Dessa forma, depois de algum tempo, essa porta teria ordenado as moléculas em rápidas e lentas, ou seja, a água morna teria se transformado em água quente e fria, sem o uso de uma fonte extra de energia. A Segunda Lei da Termodinâmica acaba sendo, aparentemente, violada.

Quebrando a Segunda Lei na prática

A ideia de Maxwell é interessante, mas não passa de um exercício mental. Porém, em 2010, cientistas mostraram que é possível fazer um pedaço de plástico mover-se com o movimento aleatório das moléculas de ar, com uma porta semelhante à proposta por Maxwell em seu exercício.

O pedaço de plástico é colocado no início de uma pequena escada e, de repente, começa a ser empurrado para cima. Sempre que ele faz isso, uma porta elétrica é fechada logo abaixo dele. A energia usada nessa porta é isolada do restante do sistema, para ter certeza de que ela não interfere no experimento. Com o passar do tempo, o plástico chega ao topo da escada sem que energia exterior tenha sido aplicada a ele.

Transformando informação em energia

Depois de muito estudar esses casos, os físicos chegaram à conclusão de que esses experimentos dependem de um monte de informações muito apuradas sobre o sistema no qual são conduzidos. No exercício mental de Maxwell, é necessário saber a velocidade das moléculas que se movem e, no experimento prático de 2010, é sempre preciso monitorar a posição do pedaço de plástico.

Todas essas medições dependem de energia que, por sua vez, tenta se contrabalancear com a energia “livre” que está fora do sistema. Em outras palavras, o que acontece é a transformação de informação em energia: a informação sobre a posição do pedaço de plástico acaba sendo convertida em energia que o empurra para cima. Ou seja, a Segunda Lei da Termodinâmica permanece intacta, afinal.

As maluquices do mundo quântico

Agora, cientistas da Universidade de Kyoto e de Tóquio, ambas no Japão, descobriram que a mecânica quântica traz algumas complicações extras a esses experimentos e que, desssa vez, a Segunda Lei da Termodinâmica parece estar sendo, de fato, violada.

(Fonte da imagem: Reprodução/arXiv)

Para isso, eles adicionam ao exercício de Maxwell um conceito conhecido como entrelaçamento quântico. Quando duas partículas estão entrelaçadas quanticamente, elas se comportam como se fossem uma só, mesmo que estejam separadas por um universo todo de distância. Assim, é possível medir apenas uma delas e obter informação sobre a outra. E, como vimos anteriormente, informação, nesse contexto, é energia.

Por isso, no caso acima, seria possível usar energia para medir metade das moléculas e obter informação sobre todas elas. Em outras palavras, seria possível dividir o contêiner entre moléculas “quentes” e “frias” usando apenas metade da energia necessária no modelo clássico.

Por enquanto, tudo isso não passa de cálculo matemático repleto de símbolos gregos em um artigo científico (PDF em inglês). Mas, o grande feito dos autores foi descobrir que a Segunda Lei da Termodinâmica depende também de efeitos quânticos, e agora a equipe trabalha em uma forma de expandi-la para que essa revelação também seja abordada.

De acordo com o site Technology Review, essa pesquisa terá implicações importantes em todo tipo de fenômeno, desde buracos negros e astrobiologia até a nanomáquinas e química quântica.

Fonte: Technology Review